מקיבוע עצמות ועד להכנת משטחים אנטיבקטריאליים, מייקל אלן מדבר עם החוקרים שמייצרים זכוכית בעלת פונקציונליות וביצועים נוספים
זכוכית נמצאת בכל מקום בחיי היומיום. בהיותו שקוף מאוד, יציב ועמיד, זהו חומר חשוב עבור אינספור יישומים, מחלונות פשוטים ועד מסכי מגע בגאדג'טים העדכניים ביותר שלנו ועד רכיבים פוטוניים עבור חיישני היי-טק.
הכוסות הנפוצות ביותר עשויות מסיליקה, ליים וסודה. אבל במשך מאות שנים נוספו מרכיבים נוספים לזכוכית כדי להעניק תכונות כמו צבע ועמידות בחום. וחוקרים עדיין עובדים על זכוכית, מבקשים להעניק לה פונקציונליות נוספת ולשפר את הביצועים שלה עבור משימות ספציפיות, תוך יצירת זכוכית יותר ויותר היי-טקית ומה שניתן לכנות זכוכית "חכמה".
חומרים חכמים אינם קלים להגדרה, אך באופן כללי הם נועדו להגיב בצורה ספציפית לגירויים חיצוניים. מבחינת זכוכית, היישום ה"חכם" הברור ביותר הוא עבור חלונות - בפרט, שליטה בכמות האור שעוברת דרך הזכוכית. כך נוכל להגביר את היעילות האנרגטית של כל בניין: להפחית את החום בקיץ, תוך שמירה על חום במזג אוויר קר יותר.
מתח חלון
ניתן לשנות את הצבע או האטימות של זכוכית חכמה כלשהי על ידי הפעלת מתח על החומר, ובכך לשנות תכונות אופטיות מסוימות - כגון ספיגה והחזרה - באופן הפיך. חלונות חכמים "אלקטרוכרומיים" כאלה יכולים לשלוט בהעברת תדרים מסוימים של אור, כמו אולטרה סגול או אינפרא אדום, לפי דרישה, או אפילו לחסום אותם לחלוטין. היישום של טכנולוגיה זו פופולרי לא רק בבניינים, אלא גם בתצוגות אלקטרוניות וחלונות כהים לרכב.
ואכן, חלונות אלקטרוכרומיים מקדימים את הטכנולוגיות האחרות בתחום זה, וכבר עברו למסחר. אבל למרות שהם עובדים היטב, יש להם כמה חסרונות ברורים. הם די מורכבים ויקרים, והרכבתם למבנים ישנים מצריכה בדרך כלל התקנת חלונות חדשים, מסגרות חלונות וחיבורי חשמל. הם גם לא אוטומטיים - אתה צריך להפעיל ולכבות אותם.
כדי לטפל בחלק מהבעיות הללו, חוקרים עבדו על חלונות תרמוכרומיים, המופעלים על ידי שינויים בטמפרטורה במקום במתח. אטרקציה גדולה אחת היא שהם פסיביים - לאחר ההתקנה, המאפיינים שלהם משתנים עם טמפרטורת הסביבה, ללא צורך בקלט אנושי. השיטה השלטת ליצירת חלונות תרמוכרומיים כאלה היא מריחת ציפוי של ונדיום דו חמצני על זכוכית (ג'אוּל 10.1016 / j.joule.2018.06.018), אך ניתן להשתמש בחומרים אחרים כגון פרוסקיטים (J. App. אֵנֶרְגִיָה 254 113690). חומרים אלו עוברים מעבר פאזה, והופכים שקופים פחות או יותר ככל שהטמפרטורה משתנה, אפקט שניתן לכוון לתנאים שונים.
בעוד ונדיום דו חמצני מראה הרבה הבטחה לחלונות חכמים, יש מכשולים שצריך להתגבר עליהם. בשל הספיגה החזקה שלו, ונדיום דו חמצני מייצר גוון חום-צהוב לא נעים ויש צורך בעבודה נוספת על יציבות סביבתית (עו"ד Manuf. 6 1). סקירה עדכנית מציעה גם כי למרות שטכנולוגיות אלו יכולות לספק חיסכון משמעותי באנרגיה, יש צורך במחקר נוסף על השימוש וההשפעה שלהן בסביבה האמיתית. לדוגמא, נמצא כי ביצועי האנרגיה של חלונות תרמוכרומים משתנים במידה רבה בין ערים שונות המשתמשות באותו סוג סרט, אך הרבה פחות בין סוגי סרטים שונים המשמשים באותה עיר (J. App. אֵנֶרְגִיָה 255 113522).
אבל זכוכית היי-טק לא נגמרת בחלונות חכמים. חוקרים מצאו שאם הם מוסיפים יותר מתכות חריגות לזכוכית, זה יכול לעזור להגן על פאנלים סולאריים ולהפוך אותם ליעילים יותר (ראה מסגרת: שיפור זכוכית כיסוי פוטו-וולטאית). זכוכית ביו-אקטיבית, בינתיים, יכולה לעזור לנו להצמיח מחדש עצם ורקמות אחרות (ראה מסגרת: קיבוע עצמות ורקמות אחרות), בעוד שתהליכי תחריט חדשים יכולים לאפשר לנו להוסיף מספר פונקציות לזכוכית ללא צורך בציפויים משטחים (ראה מסגרת: אנטי-רפלקטיבית , ניקוי עצמי ואנטי בקטריאלי). ולמרות שאינם משקפיים אופטיים מסורתיים, חומרים חדשים לשינוי פאזה יכולים לעזור ליצור מערכות אופטיות קלות וקומפקטיות יותר (ראה מסגרת: שליטה לא מכנית באור). לבסוף, זכוכית עשויה יום אחד אפילו לרפא את עצמה (ראה מסגרת: זכוכית אלמותית).
שיפור זכוכית כיסוי פוטו-וולטאית
זה אולי נראה מפתיע, אבל לא כל אור השמש טוב לתאי שמש. בעוד יחידות פוטו-וולטאיות ממירות אור אינפרא אדום ונראה לאנרגיה חשמלית, אור אולטרה סגול (UV) פוגע בהן. בדיוק כמו מקרה של כוויות שמש, אור UV משפיע לרעה על הפולימרים המבוססים על פחמן המשמשים בתאים פוטו-וולטאיים אורגניים. חוקרים מצאו שהנזק מאור UV הופך את שכבת המוליכים למחצה האורגניים ליותר עמידים חשמלית, ומפחית את זרימת הזרם ואת היעילות הכוללת של התא.
בעיה זו אינה מוגבלת לתאים אורגניים. אור UV גם מעכב את הפוטו-וולטא הנפוץ יותר המבוסס על סיליקון, המורכב מערימה של חומרים שונים. השכבה הפוטו-אקטיבית המבוססת על סיליקון מוצמדת בין פולימרים המגינים עליה מפני חדירת מים, ולאחר מכן יחידה זו מכוסה בכיסוי זכוכית, אשר מגן עליה עוד יותר מפני פגעי מזג האוויר תוך אפשרות לאור השמש. הבעיה עם אור UV היא שהוא פוגע בפולימרים, ומאפשר למים לחדור ולכלוס את האלקטרודות.
פול בינגהם, מומחה לזכוכית באוניברסיטת שפילד האלאם, בריטניה, מסביר שכדי לשפר את יעילות הפאנלים הסולאריים "הכיוון המכריע של הנסיעה בעשורים האחרונים היה להפוך את הזכוכית לצלולה יותר ויותר". משמעות הדבר היא הסרת כימיקלים שצובעים את הזכוכית, כגון ברזל, אשר מייצר גוון ירוק. לרוע המזל, כפי שמסביר בינגהם, זה מכניס יותר אור UV, וגורם נזק נוסף לפולימר.
לכן בינגהם ועמיתיו הלכו בכיוון השני - הם עשו סימום כימי של זכוכית כך שהיא סופגת אור UV מזיק אך היא שקופה לאור האינפרא אדום והנראה. ברזל הוא עדיין לא תוסף אידיאלי, מכיוון שהוא סופג כמה אורכי גל גלויים ואינפרא אדום, וזה נכון גם למתכות מעבר אחרות בשורה הראשונה כמו כרום וקובלט.
במקום זאת, הצוות של בינגהם ערך ניסויים עם יסודות מעבר בשורה השנייה והשלישית שבדרך כלל לא היו מתווספים לזכוכית, כגון ניוביום, טנטלום וזירקוניום, יחד עם מתכות אחרות כמו ביסמוט ופח. אלה יוצרים ספיגת UV חזקה ללא שום צבע גלוי. בשימוש בזכוכית הכיסוי, הדבר מאריך את תוחלת החיים של הפוטו-וולטאים ועוזר להם לשמור על יעילות גבוהה יותר, כך שהם מייצרים יותר חשמל למשך זמן רב יותר.
לתהליך יש גם יתרון נוסף. "מה שמצאנו הוא שרבים מהדופנטים סופגים פוטוני UV, מאבדים מעט אנרגיה ואז הם פולטים אותם מחדש כפוטונים גלויים, כך שבעצם הקרינה", אומר בינגהם. הם יוצרים פוטונים שימושיים שניתן להמיר לאנרגיה חשמלית. במחקר שנערך לאחרונה, החוקרים הראו שמשקפיים כאלה יכולים לשפר את היעילות של מודולים סולאריים בעד כ-8%, בהשוואה לזכוכית כיסוי רגילה (פרוג. בתחום הפוטו-וולטאים 10.1002/pip.3334).
תיקון עצמות ורקמות אחרות
בשנת 1969 המהנדס הביו-רפואי לארי הנץ', מאוניברסיטת פלורידה, חיפש חומר שיכול להיקשר לעצם מבלי להידחות על ידי גוף האדם. בזמן שעבד על הצעה לפיקוד המחקר והעיצוב הרפואי של צבא ארה"ב, הנץ' הבין שיש צורך בחומר חדש שיכול ליצור קשר חי עם רקמות בגוף, מבלי להידחות, כפי שקורה לעתים קרובות במתכת. ושתלים מפלסטיק. בסופו של דבר הוא סינתז את Bioglass 45S5, הרכב מסוים של זכוכית ביו-אקטיבית שעכשיו הוא סימן מסחרי על ידי אוניברסיטת פלורידה.
שילוב ספציפי של תחמוצת נתרן, תחמוצת סידן, דו תחמוצת סיליקון ופנטאוקסיד זרחן, זכוכית ביו-אקטיבית משמשת כיום כטיפול אורטופדי לשחזור עצם פגומה ותיקון פגמים בעצמות. "זכוכית ביו-אקטיבית היא חומר שמכניסים לגוף והיא מתחילה להתמוסס, ובזמן שהיא עושה היא למעשה אומרת לתאים ולעצם להיות פעילים יותר ולייצר עצם חדשה", אומר ג'וליאן ג'ונס, מומחה לחומר, מאימפריאל קולג' בלונדון, בריטניה.
ג'ונס מסביר שיש שתי סיבות עיקריות לכך שהזכוכית עובדת כל כך טוב. ראשית, כשהוא מתמוסס הוא יוצר שכבת פני השטח של אפטיט הידרוקסיקרבונט, הדומה למינרל שבעצם. משמעות הדבר היא שהוא יוצר אינטראקציה עם העצם והגוף רואה בו אובייקט מקומי, ולא זר. שנית, כשהיא מתמוססת, הזכוכית משחררת יונים המאותתים לתאים לייצר עצם חדשה.
מבחינה קלינית, זכוכית ביו-אקטיבית משמשת בעיקר כאבקה שנוצרת למרק ואז נדחפת לתוך הפגם בעצם, אבל ג'ונס ועמיתיו עבדו על חומרים דמויי פיגום מודפסים בתלת מימד לצורך תיקונים מבניים גדולים יותר. אלה הם הכלאיים אורגניים-אורגניים של זכוכית ביו-אקטיבית ופולימר שהם מכנים ביוגלאס קופצניים. הארכיטקטורה המודפסת בתלת מימד מספקת תכונות מכניות טובות, אך גם מבנה המעודד תאים לגדול בצורה הנכונה. למעשה, ג'ונס מצא כי על ידי שינוי גודל הנקבוביות של הפיגום, ניתן לעודד תאי גזע של מח העצם לגדל עצם או סחוס. "הייתה לנו כמות עצומה של הצלחה עם סחוס ביוגלאס קופצני", אומר ג'ונס.
זכוכית ביו-אקטיבית משמשת גם לחידוש פצעים כרוניים, כגון אלו הנגרמים מכיבים סוכרתיים. מחקר הראה שצמר גפן כמו תחבושות זכוכית יכול לרפא פצעים, כגון כיבים סוכרתיים בכף הרגל, שלא הגיבו לטיפולים אחרים (Int. פצע J. 19 791).
אבל ג'ונס אומר שהשימוש הנפוץ ביותר בזכוכית ביו-אקטיבית הוא בכמה משחות שיניים רגישות, שבהן הוא גורם למינרליזציה טבעית של השיניים. "יש לך שיניים רגישות כי יש לך צינוריות שנכנסות לתוך חלל העצבים שלך במרכז השן, כך שאם אתה מינרל את הצינוריות האלה אין דרך לחלל העיסה", הוא מסביר.
אנטי רפלקטיבי, מנקה עצמי ואנטי בקטריאלי
בקולג' האוניברסיטאי בלונדון, חוקרים צרבו מבנים בקנה מידה ננומטרי לתוך פני השטח של זכוכית כדי להעניק לו מספר פונקציות שונות. טכניקות דומות נוסו בעבר, אבל זה הוכיח את עצמו כמאתגר ומסובך לבנות את משטח הזכוכית עם פרטים עדינים מספיק. מהנדס ננו יואניס פאפאקונסטנטינו ועמיתיו, לעומת זאת, פיתחו לאחרונה תהליך ליתוגרפיה חדשני המאפשר להם לפרט זכוכית בדיוק בקנה מידה ננומטרי (עו"ד מאטר. 33 2102175).
בהשראת עש המשתמשים במבנים דומים להסוואה אופטית ואקוסטית, החוקרים חרטו משטח זכוכית עם מערך של קונוסים בקנה מידה ננומטרי של תת-גל כדי להפחית את ההשתקפות שלו. הם גילו שמשטח מובנה זה החזיר פחות מ-3% מהאור, בעוד שזכוכית בקרה החזירה כ-7%. Papakonstantinou מסביר שהננוקוונים עוזרים לגשר על שינויים בין מקדם השבירה של משטח הזכוכית לזה של האוויר, על ידי החלקת המעבר הפתאומי של אוויר לזכוכית בדרך כלל. זה מפחית את הפיזור ולכן את כמות האור שמחזירה את פני השטח.
פני השטח הם גם סופר הידרופוביים, דוחים טיפות מים ושמנים כך שהם קופצים מעל כריות אוויר הכלואות בננו-מבנים. כשהטיפות מתגלגלות, הן קולטות זיהומים ולכלוך, מה שהופך את הזכוכית לניקוי עצמי, כפי שמסביר Papakonstantinou. וכיתרון אחרון, חיידקים נאבקים לשרוד על הזכוכית, כשהקונוסים החדים חודרים את קרומי התא שלהם. הְתמַקְדוּת Staphylococcus aureus – החיידקים הגורמים לזיהומי סטפיח – מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת הראתה כי 80% מהחיידקים השוקעים על פני השטח מתים, לעומת כ-10% על זכוכית רגילה. לדברי החוקרים, מדובר בהדגמה ראשונה של משטח זכוכית אנטיבקטריאלי.
שליטה לא מכנית באור
האור נשלט בדרך כלל במערכות אופטיות על ידי חלקים נעים, כגון עדשה שניתן לתמרן כדי לשנות את נקודת המוקד של האור או לנווט אלומה. אבל סוג חדש של חומרים לשינוי שלב (PCM) יכול לשנות את המאפיינים של רכיבים אופטיים ללא כל התערבות מכנית.
PCM יכול לעבור בין בעל מבנה גבישי מאורגן להיות אמורפי ודמוי זכוכית כאשר מופעלת צורה כלשהי של אנרגיה, כגון זרם חשמלי. חומרים כאלה שימשו זה מכבר לאחסון נתונים על דיסקים אופטיים, כאשר שני השלבים מייצגים את שני המצבים הבינאריים. אבל חומרים אלה לא ממש שימשו באופטיקה מעבר ליישומים כאלה, כי אחד השלבים הוא בדרך כלל אטום.
אולם לאחרונה, חוקרים בארה"ב יצרו מחלקה חדשה של PCMs המבוססת על היסודות גרמניום, אנטימון, סלניום וטלוריום, המכונה GSST (תקשורת טבע 10 4279). הם גילו שבעוד שהמצב הזכוכיתי והגבישי של חומרים אלה שקופים לאור אינפרא אדום, יש להם אינדקס שבירה שונים בתכלית. ניתן לנצל זאת כדי ליצור אופטיקה הניתנת להגדרה מחדש שיכולה לשלוט באור אינפרא אדום.
Juejun Hu, מדען חומרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, אומר שבמקום להחזיק מכשיר אופטי עם יישום אחד, אתה יכול לתכנת אותו למספר פונקציות שונות. "אתה יכול אפילו לעבור מעדשה לסריג עקיפה או מנסרה", הוא מסביר.
המאפיינים של PCMs מנוצלים בצורה הטובה ביותר, אומר Hu, על ידי יצירת מטא-חומרים אופטיים, שבהם מבנים ננומטריים, תת-אורך גל מעוצבים על פני השטח וכל אחד מהם מכוון לאינטראקציה עם האור בצורה ספציפית כדי ליצור אפקט רצוי, כגון מיקוד קרן אור. כאשר זרם חשמלי מופעל על החומר, האופן שבו מבני הננו של פני השטח מתקשרים עם האור משתנה כאשר מצב החומר ומקדם השבירה עוברים.
הצוות כבר הוכיח שהוא יכול ליצור אלמנטים כמו עדשות זום ותריסים אופטיים שיכולים לכבות במהירות אלומת אור. קתלין ריצ'רדסון, מומחה לחומרים אופטיים ופוטוניקה באוניברסיטת מרכז פלורידה, שעבד עם Hu על חומרי GSST, אומר כי חומרים אלה יכולים לפשט ולהקטין את גודלם של חיישנים והתקנים אופטיים אחרים. הם יאפשרו לשלב מספר מנגנונים אופטיים, להפחית את מספר החלקים הבודדים ולהסיר את הצורך באלמנטים מכניים שונים. "פונקציות מרובות באותו רכיב הופכות את הפלטפורמה לקטנה יותר, קומפקטית יותר ומשקלה קלה יותר", מסביר ריצ'רדסון.
זכוכית אלמותית
"אתה יכול לכופף את חוקי הפיזיקה, אבל אתה לא יכול לשבור אותם", אומר פול בינגהם, המתמחה במשקפיים וקרמיקה באוניברסיטת שפילד האלאם, בריטניה. "ביסודו של דבר, זכוכית היא חומר שביר ואם תפעיל מספיק כוח על חלק קטן מספיק של הזכוכית אז היא תישבר." ובכל זאת, ישנן דרכים שונות שבהן ניתן לשפר את הביצועים שלהם.
שקול טלפונים ניידים. רוב מסכי הסמארטפונים עשויים מזכוכית מחוסמת כימית, כשהנפוץ ביותר הוא גורילה גלאס. פותחה על ידי Corning בשנות ה-2000, זכוכית חזקה ועמידה בפני שריטות אך דקה זו יכולה להימצא כעת בכחמישה מיליארד סמארטפונים, טאבלטים ומכשירים אלקטרוניים אחרים. אבל זכוכית מחוזקת כימית אינה בלתי שבירה לחלוטין. למעשה, מסך הטלפון של בינגהם שבור. "הפלתי את זה פעם אחת ואז הפלתי את זה שוב וזה נחת בדיוק באותה נקודה וזה נגמר המשחק", הוא אומר.
כדי לשפר עוד יותר את העמידות של מסכי זכוכית, Bingham עבד על פרויקט בשם "ייצור אלמוות" עם מדעני פולימרים מאוניברסיטת נורת'ומבריה, בראשות כימאי ג'סטין פרי, שפיתחו פולימרים המרפאים את עצמם. אם חותכים את הפולימרים המרפאים את עצמם לשניים ואז דוחפים את החלקים זה לזה, הם יתחברו, עם הזמן. החוקרים ערכו ניסויים ביישום ציפויים של חומרים כאלה על זכוכית.
אם תפעיל מספיק כוח, המסכים האלה עדיין הולכים להישבר, אבל אם תפיל אחד ותפצח את שכבת הפולימר זה יכול להחלים מעצמו. זה יקרה בתנאי סביבה וטמפרטורת החדר, אם כי חימום מעט, על ידי השארתם במקום חם למשל, יכול להאיץ את התהליך. "זה עוסק בשיפור משך החיים של מוצרים, הפיכתם ליותר קיימא והפיכתם לגמישים יותר", אומר בינגהם. וזה יכול להיות שימושי עבור מוצרים רבים המשתמשים בזכוכית כשכבת הגנה, לא רק לסמארטפונים.
